Металокомпозитний балон високого тиску

Реферат: Металокомпозитний балон високого тиску містить внутрішню замкнуту герметичну циліндричну оболонку, яка складається з днищевих частин еліпсоїдної або напівсферичної форми з горловинними фланцями зі штуцерами, закріпленими у полюсних отворах і розташованої між ними центральної тонкостінної металевої обичайки, які з'єднані між собою за допомогою зварювання, та зовнішній силовий елемент, утворений комбінацією груп шарів з армуючого металокомпозитного матеріалу, де армуючий металокомпозитний матеріал днищевих та циліндричної частин зовнішньої силової оболонки утворений комбінацією груп шарів високомодульних і низькомодульних груп гнучких безперервних волокон, джгутів або тканих стрічок металокомпозитного матеріалу, просочених зв'язуючим складом і орієнтованих в UA 108948 C2 (12) UA 108948 C2 поздовжніх, спіральних та окружних напрямках, при цьому зовнішній силовий елемент балона складається із металокомпозитного матеріалу, утвореного шляхом безперервного намотування із металевих кордових волокон, а група низькомодульних волокон - із ниток, джгутів або тканих стрічок скловолокна та поліаміду, просочених зв'язуючим складом і орієнтованих в поздовжніх, спіральних та окружних напрямках. Таке виконання дозволяє забезпечити підвищення надійності балона, циклічної міцності при забезпеченні високого тиску руйнування, збільшення ресурсу роботи, мінімізацію маси балона. UA 108948 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до балонів (посудин) для зберігання і транспортування плинного середовища (рідини або газу), що перебуває під високим тиском і може бути використаний в різних галузях промисловості, на транспорті, в системах газозабезпечення та інших об'єктах народного господарства. Такі посудини, як правило, схильні до багаторазових циклічних навантажень високим тиском. До балонів подібного типу, щоб уникнути витоків плинного середовища або порушення щільності, особливе значення надається матеріалу герметичної оболонки, яка в залежності від виду та характеру плинного середовища, що заповнює посудину, виконується з алюмінію, сталі або термопласта. Нині найбільшого поширення набули балони з використанням металевих оболонок, що визначається цілою низкою переваг металів перед пластиками. Металокомпозитні посудини високого тиску, які виготовляються на теперішній час, як правило містять внутрішню тонкостінну металеву герметичну оболонку (лейнер) та зовнішню силову оболонку з композиційного матеріалу, утворену намотуванням на поверхню оболонки по різних траєкторіях джгутів високоміцного або високомодульного волокна (наприклад вуглеволокна), просоченого полімерним зв'язуючим. Відповідно до вимог чинної нормативної документації крім основної вимоги, що пред'являється до газових балонів високого тиску, зниження питомої матеріаломісткості балона і забезпечення безпечної експлуатації - базовим є також вимога забезпечення заданого ресурсу використання балона за кількістю циклів навантаження (або заповнення) та розвантаження. На відміну від інших типів конструкцій балонів для конструкції металокомпозитних балонів дана вимога є визначальною через велику різнорідність фізико-механічних властивостей використовуваних матеріалів. Також, однією з визначальних, вимог нормативної документації до балонів, є вимога надійного кріплення горловину штуцера балона в композитної оболонки, що забезпечує також багаторазові його навантаження крутного моменту. Відомі численні приклади створення композитних балонів тиску з використанням металевої оболонки (лейнера) з різних сплавів (див., наприклад, патенти US 5494188, US 5653358, US 5862938, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6230922 та інші). Проте дані конструкції не повністю забезпечують вирішення головних завдань в конструкції балона, це забезпечення надійності при великій циклічності його навантаження високим тиском при мінімально можливій вазі і вартості виготовлення сумірною або нижче, ніж у суцільнометалевих балонів. Також відома достатня кількість прикладів створення композитного балона тиску з використанням тонкостінної металевої оболонки (лейнера) із різних сплавів (див., наприклад, патенти RU 2169880, US 5292027, US 5822838, US 5918759, WO 03/029718 та інші), однак така реалізація дозволяє лише частково вирішити завдання забезпечення більшою циклічності навантаження його високим тиском при вазі нижче, ніж у суцільнометалевих балонів. Ще відомі численні конструктивні рішення виконання композитних балонів з використанням тонкостінної оболонки (лейнера), де різними способами пропонується суміщення деформацій матеріалу внутрішньої та зовнішньої композитної оболонки. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є "Металокомпозитний балон високого тиску" (патент RU № 2432521, МПК F17C 1/06, опубл. 2010 p.), який вибрано як найближчий аналог, що містить тонкостінний металевий зварний лейнер і зовнішню силову оболонку з композитного матеріалу, утворену комбінацією груп шарів високомодульних та низькомодульних ниток армуючих матеріалів, орієнтованих в спіральних і окружних напрямках, при цьому в зоні кільцевого зварного шва в обичайці лейнера виконано кільцевий лінзовий компенсатор, а в структурі стінки композитної силової оболонки балона над лінзовим компенсатором встановлено щонайменше один кільцевий браслет-обмежувач осьових деформацій, жорстко скріплений по всій поверхні з незалежними групами безперервних армуючих волокон, причому його ширина перевищує ширину компенсатора. Недоліком зазначеного рішення є те, що конструктивне виконання у зоні двох кільцевих зварних швів кільцевих лінзових компенсаторів в лейнері підіймає загальну згинальну жорсткість лейнера, але не забезпечує виконання умов сумісності деформацій матеріалу лейнера і матеріалу композитної оболонки. Застосування в лейнері кільцевих лінзових компенсаторів - це по-перше не технологічно, по-друге при виготовленні в місцях перегинів з'являється потоншення, де при циклічних навантаженнях виникають пластичні деформації, що призводять до передчасних руйнацій оболонки лейнера, а у-третіх конструктивна побудова балона не призначена для зберігання й транспортування плинного середовища, що перебуває під високим тиском, балонів (сосудів) діаметром більше ніж 219,0 мм. В основу винаходу поставлена задача: вдосконалення з'єднання обичайки з днищами і горловинними фланцями, зміни конструкції й матеріалу зовнішньої оболонки, оптимізації товщини, створення необхідних попередніх напружень у посудині, що надасть змогу підвищити 1 UA 108948 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 його працездатність, розширити чисельність корпусних конструкцій ємностей й збільшити їх місткість V, зменшити масу m й показник m/V, спростити технологію виготовлення, зменшити вартість. Суть винаходу полягає в тому, що металокомпозитний балон високого тиску характеризується тим, що містить внутрішню замкнуту герметичну циліндричну оболонку, яка складається з днищевих частин еліпсоїдної або напівсферичної форми з горловинними фланцями зі штуцерами, закріпленими у полюсних отворах і розташованої між ними центральної тонкостінної металевої обичайки, які з'єднані між собою за допомогою зварювання, та зовнішній силовий елемент утворений комбінацією груп шарів з армуючого металокомпозитного матеріалу, де армуючий металокомпозитний матеріал днищевих та циліндричної частин зовнішньої силової оболонки, утворений комбінацією груп шарів високомодульних і низькомодульних груп гнучких безперервних волокон, джгутів або тканих стрічок металокомпозитного матеріалу, просочених зв'язуючим складом і орієнтованих в поздовжніх, спіральних та окружних напрямках, при цьому зовнішній силовий елемент балона складається із металокомпозитного матеріалу, утвореного шляхом безперервного намотування із металевих кордових волокон, а група низькомодульних волокон - із ниток, джгутів або тканих стрічок скловолокна та поліаміду, просочених зв'язуючим складом і орієнтованих в поздовжніх, спіральних та окружних напрямках. Зовнішня оболонка у вигляді поздовжніх, спіральних й кільцевих витків металокомпозитного матеріалу посилює обичайку в поздовжньому й поперечному перерізах, а рівність модулів пружності сталевих обичайки і дроту, яка входить до складу металокомпозитної оболонки, забезпечує рівномірне їхнє навантаження під дією внутрішнього тиску, завдяки чому досягається більш висока ефективність підсилення, ніж у найближчому аналогу. Додаткове підсилення відбувається при створенні в обичайці попередніх напружень стиснення у поєднанні із застосуванням більш міцного дроту. Це дозволяє підвищити робочий тиск, забезпечити високий ресурс за кількістю циклів навантаження, місткість балона й зменшити масу і товщину його стінки. Виготовлення оболонки із металокомпозитного матеріалу, як і увесь балон може бути виконане з відносно недорогих недефіцитних дротів та сталей, що забезпечує зниження його вартості в 1,4-1,7 разу у порівнянні з найближчим аналогом. Як видно з викладу суті технічного рішення, що заявляється, воно відрізняється від найближчого аналога, а отже, є новим. Суть винаходу, його об'єкт і переваги описані нижче і пояснюються кресленням, де зображено поздовжній розріз металокомпозитного балона високого тиску. Відповідно до винаходу металокомпозитний балон високого тиску, зображений на Фіг. 1 містить внутрішню герметичну оболонку, що складається зі сталевих обичайки 1, сферичної або еліпсоїдної форм днищ 2 і горловинних фланців 5. Зварна чи безшовна обичайка зварена з днищами, а до їхніх полюсів у свою чергу приварені горловинні фланці, два або один з яких мають отвори. Зварні з'єднання 3 виконано стиковими, без потовщення або підсилення швів. Зовнішній силовий елемент 4 складається з металокомпозитного матеріалу й утворено намотуванням герметичної оболонки по всій його поверхні комбінацією гнучких безперервних груп шарів високомодульних і низькомодульних волокон, джгутів або тканих стрічок металокомпозитного матеріалу, просочених зв'язуючим складом і які в свою чергу зорієнтовані в поздовжніх, спіральних та окружних напрямках, в послідовності, що дозволяє істотно розширити ефективність функціонування і використання розглянутої конструкції. Як композитний матеріал шарів силової оболонки можуть бути використані будь-які низькомодульні та високомодульні композити з числа відомих. Функціонування металокомпозитного балона високого тиску полягає у наповненні його плинним середовищем (рідиною або газом) до необхідного рівня тиску, зберігання, транспортування, витрачання або спорожнення з подальшим новим наповненням, тобто багаторазовим повторенням операції циклу навантажування. Таким чином, запропонована конструкція заявленого металокомпозитного балона високого тиску дозволить підвищити надійність балона, циклічну міцність при забезпеченні високого тиску руйнування, збільшити ресурс роботи, мінімізує масу балона і вартість його виготовлення, що обумовить його широке промислове застосування. Виготовлення і випробування балонів (посудин) високого тиску запропонованої конструкції силової та внутрішньої оболонки підтвердили їх високу надійність та ефективність при експлуатації. 2 UA 108948 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Металокомпозитний балон високого тиску характеризується тим, що містить внутрішню замкнуту герметичну циліндричну оболонку, яка складається з днищевих частин еліпсоїдної або напівсферичної форми з горловинними фланцями зі штуцерами, закріпленими у полюсних отворах і розташованої між ними центральної тонкостінної металевої обичайки, які з'єднані між собою за допомогою зварювання, та зовнішній силовий елемент, утворений комбінацією груп шарів з армуючого металокомпозитного матеріалу, де армуючий металокомпозитний матеріал днищевих та циліндричної частин зовнішньої силової оболонки утворений комбінацією груп шарів високомодульних і низькомодульних груп гнучких безперервних волокон, джгутів або тканих стрічок металокомпозитного матеріалу, просочених зв'язуючим складом і орієнтованих в поздовжніх, спіральних та окружних напрямках, при цьому зовнішній силовий елемент балона складається із металокомпозитного матеріалу, утвореного шляхом безперервного намотування із металевих кордових волокон, а група низькомодульних волокон - із ниток, джгутів або тканих стрічок скловолокна та поліаміду, просочених зв'язуючим складом і орієнтованих в поздовжніх, спіральних та окружних напрямках. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3